第二章單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

第二章單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日§2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課題引入---開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性分析及改進(jìn)辦法開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。

開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的局限性：抗干擾能力差，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載或電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會隨之改變，即轉(zhuǎn)速不夠穩(wěn)定，因此開環(huán)調(diào)速只能應(yīng)用于負(fù)載相對穩(wěn)定、對調(diào)速系統(tǒng)性能要求不高的場合。

改進(jìn)辦法：采用閉環(huán)控制。根據(jù)自動控制理論，要想使被控量保持穩(wěn)定，可將被控量反饋到系統(tǒng)的輸入端，構(gòu)成負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。將直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測出來，反饋到系統(tǒng)的輸入端，可構(gòu)成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)。第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日§2.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理一、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成1給定電路2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3觸發(fā)及功放電路4整流橋與電機(jī)主回路5轉(zhuǎn)速檢測與反饋電路(五部分)給定電壓的極性：運算放大器具有反相作用，其輸出與給定電壓極性相反，所以給定采用負(fù)給定，以保證觸發(fā)電壓為正；反饋電壓的極性：為實現(xiàn)負(fù)反饋，反饋電壓的極性為正。第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

同開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小受轉(zhuǎn)速給定電壓Un*控制，給定電壓為零時，電機(jī)停止；給定電壓增大時，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高；給定電壓減小時，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。

以升速控制為例，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理分析如下：

當(dāng)然，轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速反饋電壓會升高，但其升值小于給定電壓增值，電壓差總體上是增大的，轉(zhuǎn)速是上升的。第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日1、為什么開環(huán)調(diào)速采用正給定電壓，而單閉環(huán)要采用負(fù)給定電壓？

2、要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，轉(zhuǎn)速反饋電壓的極性必需為正，若接線時誤將其極性接反了，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？解：以電機(jī)從靜止起動為例分析，給定電壓增大時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如下：由于反饋電壓與給定電壓同為負(fù)，成為正反饋，只要給定電壓稍大于零，經(jīng)反饋電壓疊加后，偏差電壓會越來越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速急速升高，造成飛車事故。在轉(zhuǎn)速單閉調(diào)速實驗中表現(xiàn)為：給定從零增加一點，電機(jī)轉(zhuǎn)速急速升高，再減小給定，電機(jī)轉(zhuǎn)速不減小，失控。思考題：第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日§2.2單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能分析一、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖是反映系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，各構(gòu)成單元的輸入-輸出關(guān)系的結(jié)構(gòu)圖。穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖是分析系統(tǒng)性能、進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算的基礎(chǔ)。比較環(huán)節(jié)：運算放大器輸出：為運算放大器放大系數(shù)。

整流裝置輸出：電機(jī)轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速反饋電壓：為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾性分析引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的目的在于提高調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾性，保持轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定，那么，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是怎樣實現(xiàn)抗干擾作用的呢？以負(fù)載電流增大為例分析如下：通過這一調(diào)節(jié)可抑制轉(zhuǎn)速的下降，雖然不能做到完全阻止轉(zhuǎn)速下降，但同開環(huán)相比，轉(zhuǎn)速的下降程度會大大降低，從而保持了轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定。

同相可分析電網(wǎng)電壓下降時，系統(tǒng)的抗干擾性。電網(wǎng)電壓下降時，整流裝置輸出電壓Ud減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程如下：第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日三、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性閉環(huán)調(diào)速穩(wěn)定工作時，電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系稱為閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。由穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知由上述四式不難得出稱為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。該式稱為系統(tǒng)的靜特性方程。第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日靜特性與機(jī)械特性的比較-11、機(jī)械特性調(diào)速系統(tǒng)對開環(huán)而言；靜特性是對閉環(huán)系統(tǒng)而言的。兩者都表示電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系，即n=f(Id)。2、一條機(jī)械特性曲線對應(yīng)于一個不變的電樞電壓；而一條靜特性曲線對應(yīng)于一個不變的給定電壓。3、如右圖所示，設(shè)電機(jī)開始工作于A點，當(dāng)負(fù)載電流增大時，開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)工作的原理是不同的：(1)開環(huán)系統(tǒng)，給定不變，電樞電壓就不變，電流增加，工作點將沿最下面那條機(jī)械特性向下移動(2)而對于閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，給定不變，電流增加時，系統(tǒng)有維持轉(zhuǎn)速不下降的趨勢，通過調(diào)節(jié)，電樞電壓升高，工作點將移至B、C或D。ABCD所在直線就是閉環(huán)系統(tǒng)的在該給定電壓下的一條靜特性曲線。第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日靜特性與機(jī)械特性的比較-24、靜特性的硬度要比機(jī)械特性硬得多。這一點從特性方程也可看出：開環(huán)機(jī)械特性：斜率：閉環(huán)靜特性：斜率：可見閉環(huán)靜特性斜率比開環(huán)機(jī)械特性小得多。思考題：2．開環(huán)機(jī)械特性與閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性有何相同之處和不同之處？1．怎樣通過實驗測試閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性曲線？第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日四、閉環(huán)調(diào)速與開環(huán)調(diào)速的比較靜特性方程：閉環(huán)轉(zhuǎn)速降機(jī)械特性方程：開環(huán)轉(zhuǎn)速降①閉環(huán)靜特性比開環(huán)機(jī)械特性硬得多。負(fù)載電流相等時②閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)小得多。理想空載轉(zhuǎn)速相等時，③閉環(huán)系統(tǒng)可比開環(huán)有更大的調(diào)速范圍。靜差率相等時，④閉環(huán)系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)的抗干擾性能好。可見，增大開環(huán)放大倍數(shù)K對改善調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能有利，即靜差率減小、硬度提高、調(diào)速范圍增大；但是，開環(huán)放大系數(shù)K過大系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定，即動態(tài)性能變差了。這就是控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能之間的相互制約性。第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日思考題：2．從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能方面考慮，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K是大點好，還是小點好？從動態(tài)性能方面考慮呢？1．同開環(huán)調(diào)速相比，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)有什么優(yōu)點？第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日五、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本特征①轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有三個基本特征:②被控量總是跟隨給定量變化。即轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓變化。③閉環(huán)系統(tǒng)對作用于閉環(huán)內(nèi)前向通道上的干擾有調(diào)節(jié)作用。而作用于閉環(huán)外或非前向通道上的干擾沒有調(diào)節(jié)作用。第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日2．閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對什么樣的干擾有調(diào)節(jié)作用？試舉例說明。1．什么是有靜差調(diào)速系統(tǒng)？思考題：第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日§2.3無靜差調(diào)速系統(tǒng)一、調(diào)節(jié)器及其特性無靜差調(diào)速系統(tǒng)：調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)速反饋與轉(zhuǎn)速給定的值相等，調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓等于零，這種調(diào)速系統(tǒng)稱為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。有靜差調(diào)速與無靜差調(diào)速的區(qū)別在于調(diào)節(jié)器的選擇不同，從而引起系統(tǒng)的特性不同。調(diào)節(jié)器是由運算放大器構(gòu)成的電路單元。下面以比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器、比例-積分調(diào)節(jié)器三種調(diào)節(jié)器為例介紹其電路構(gòu)成及其特性。第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日1、比例調(diào)節(jié)器(簡稱P調(diào)節(jié)器)(1)電路圖(2)輸入-輸出特性為比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)(3)調(diào)節(jié)器的特點輸出隨時跟隨輸入，控制調(diào)節(jié)速度快；調(diào)節(jié)器的輸入偏差一般不為零，只能實現(xiàn)有靜差控制。第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日2、積分調(diào)節(jié)器(簡稱I調(diào)節(jié)器)(1)電路圖(2)輸入-輸出特性為積分時間常數(shù)(3)調(diào)節(jié)器的特點輸入偏差大于零，輸出增大；偏差等于零，輸出保持；偏差小于零，輸出減小。穩(wěn)定狀態(tài)下(輸入、輸出均不變)，輸入偏差為零，可實現(xiàn)無靜差控制。由輸入-輸出響應(yīng)曲線知：當(dāng)輸入偏差為定值時，輸出呈直線增長；當(dāng)輸入偏差為零時，輸出保持。輸出不能馬上跟隨輸入變化，控制響應(yīng)較慢。第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日3、比例-積分調(diào)節(jié)器(簡稱PI調(diào)節(jié)器)(1)電路圖(2)輸入-輸出特性(3)調(diào)節(jié)器的特點同時具有P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，即既能實現(xiàn)無靜差控制，控制響應(yīng)速度也較快。采用PI調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，因此PI調(diào)節(jié)器應(yīng)用廣泛。PI調(diào)節(jié)器的輸入-輸出特性是P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器的特性疊加：積分作用之前先經(jīng)比例放大，輸出比I調(diào)節(jié)器響應(yīng)快；輸出穩(wěn)定時，調(diào)節(jié)器的輸入端偏差為零，可實現(xiàn)無靜差控制。第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日要說明的是，純積分調(diào)節(jié)器只是一種理論的模型，實際實現(xiàn)較難，一般不單獨應(yīng)用。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器時可實現(xiàn)有靜差調(diào)速；若要實現(xiàn)無靜差調(diào)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器。除了前面介紹的三種調(diào)節(jié)器之外，還要兩種調(diào)節(jié)器----比例-微分(PD)調(diào)節(jié)器和比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)器，本書直流調(diào)速系統(tǒng)部分沒用到它們，暫不介紹。第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日二、無靜差調(diào)速系統(tǒng)1、實現(xiàn)無靜差調(diào)速的條件(必需同時滿足以下二個條件)：(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。(1)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；2、單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖(觀察對比，指出與有靜差調(diào)速系統(tǒng)的異同)第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日3、單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖無靜差調(diào)速系達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，系統(tǒng)的一個顯著特點就是調(diào)節(jié)器的輸入偏差為零，即 或這就是無靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程。思考題：如上圖示，給定為10V時，電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為1000r/min，則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)等于

。第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日由得第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日1．實現(xiàn)無靜調(diào)速的條件是什么？思考題：2．無靜差調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，若負(fù)載加重了（即負(fù)載電流增大），系統(tǒng)再次達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，（1）電動機(jī)的轉(zhuǎn)速如何變化？（2）整流裝置輸出電壓如何變化？（3）調(diào)節(jié)器的輸出如何變化？第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日一、要知道實驗做什么？1.調(diào)速系統(tǒng)線路連接實驗前指導(dǎo)：2.測試開環(huán)機(jī)械特性和單閉環(huán)靜特性二、要知道怎么做？做好實驗前的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備是關(guān)鍵。預(yù)習(xí)什么？預(yù)習(xí)到什么程度呢？1、能熟練畫出單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖。2、自學(xué)附錄，知道用哪些掛件？用哪些電路模塊？功能是什么？怎么接線？3、紙上談兵：能把系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)化為實驗接線圖，并能畫出來。4、預(yù)習(xí)2.4章節(jié)，能有條理地說出實驗內(nèi)容和對應(yīng)實驗操作步驟。三、要知道實驗應(yīng)該得到怎樣的結(jié)果？四、怎樣寫實驗報告？寫什么？§2.4單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)實驗3.測試系統(tǒng)參數(shù)、和第二十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日特別說明直流調(diào)速系統(tǒng)實驗是階梯式的實驗，由簡單到復(fù)雜，層層遞進(jìn)。熟練掌握前一實驗相關(guān)知識和技能是開展下一實驗的基礎(chǔ)和前提。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實驗同開環(huán)調(diào)速實驗相比，兩者主電路相同，只是控制電路增加一個轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)。沒有理論指導(dǎo)的實驗是盲目的實驗，所以，每一次實驗之前都要對用到的相關(guān)知識進(jìn)行學(xué)習(xí)和系統(tǒng)，知道要做什么、怎樣做。認(rèn)識誤區(qū)：“書上有實驗內(nèi)容及操作步驟，到時候按書上一步一步做就行，不需要在預(yù)習(xí)上花太多精力?！边@樣做的實驗效果是：(1)如同囫圇吞棗，吃了卻不知味。(2)一旦出現(xiàn)線接錯了，難以查出。(3)線接對了，電機(jī)卻不轉(zhuǎn)，不知從何入手查找問題。(4)對實驗現(xiàn)象和結(jié)果是否正確，心中沒數(shù)。第二十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日1、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用正給定電壓，為什么單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)要采用負(fù)給定電壓？